ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 54Следующая ⇒

У полупроводников между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещённая зона. При температуре абсолютного нуля и в отсутствие внешнего воздействия их валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости свободна от электронов. К п/п – кам условно относят вещества с шириной запрещённой зоны Δ Wi = 0.05-3.0 эВ.

Область или зона энергетических состояний электронов, находясь в которой они могут создавать ток, носит название зоны проводимости.

Для многих полупроводников достаточно невысокой температуры (например, комнатной), чтобы перевести некоторое количество электронов их атомов в зону проводимости. Непрерывное повышение температуры усиливает процесс такого перехода и проводимость полупроводника в результате этого увеличивается.
Итак, электропроводность в полупроводниках обусловливаетсяэлектронами. Она называется электронной электропроводностью или электропроводностью n-типа¹. В данном случае электроны, создающие ток, принадлежат атомам самого полупроводника, а не атомам примеси, поэтому такую электропроводность называют собственной.

У атома, электрон которого перешел в зону проводимости, образовался, таким образом, недостаток одного электрона. Такие атомы превращаются в положительные ионы, которые, однако, закреплены на месте и не в состоянии двигаться и принимать участие в создании тока. Место отсутствующего электрона может занять электрон с соседнего атома, у которого такого недостатка нет. В результате этого перехода появится у второго атома недостаток в электроне. Подобный процесс может иметь место одновременно у многих атомов.

Если приложить электрическое напряжение, перескок электронов с одних атомов на другие (соседние) примет характер направленного перемещения их в одну сторону. Одновременно с этим образующиеся положительно заряженные атомы будут возникать в направлении, противоположном движению электронов. Это будет похоже на движущиеся положительные заряды, т. е. на ток, создаваемый положительными электрическими зарядами, которые движутся в направлении, противоположном движению электронов.

Отсутствие в атоме электрона в результате перехода его в зону проводимости получило название дырки ('в атоме). Электрический же ток, образующийся при движении дырок, называют дырочным током. Электропроводность, обусловленная этим дырочным током, называется дырочной электропроводностью или электропроводностью р-типа.

Полупроводники, не содержащие донорные и акцепторные примеси, называют собственными полупроводниками, а содержащие - примесными.

Итак, движение электронов (в одном направлении) и дырок атомов (в обратном направлении) самого полупроводника создает собственную электропроводность, которая с повышением температуры возрастает. Понижение же температуры будет уменьшать собственную электропроводность полупроводника, так как будет уменьшаться число электронов, переходящих в зону проводимости. Поэтому полупроводники при охлаждении приближаются к диэлектрикам по величине их сопротивления.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0⁰К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока.

Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления этого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела.

Чем выше температура и меньше запрещенная зона, тем выше интенсивность межзонных переходов.

У диэлектриков запрещенная зона может быть настолько велика, что электронная электропроводность не играет определяющей роли.

Если каждый атом имеет, например, 4 валентных электрона, являющихся общими для 4 ближайших атомов (конфигурация валентных связей), то такое твердое тело является полупроводником. Например, в германии и кремнии, являющихся четырехвалентными элементами, на наружной оболочке имеется по четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими, окружающими его атомами.

Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры. Это происходит по двум причинам:

из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, поэтому Δ Э уменьшается.
из-за изменения межатомных расстояний, т.е. объема тела, поэтому Δ Э может как уменьшаться, так и увеличиваться.

У большинства полупроводников с ростом t⁰ ширина разрешенной зоны увеличивается, запрещенной зоны - уменьшается

Можно считать Δ Э = Δ Э₀–b∙ T; b=(2-6)∙ 10^-4Эв/⁰К

При комнатной температуре (T=300⁰К) и нормальном атмосферном давлении ширина запрещенной зоны Δ Э у германия составляет ~ 0.66 эВ, у Si=1.12 эВ, а арсенида галлия GaАs ~ 1.42 эВ. Отметим, что эти значения найдены для материалов с высокой степенью чистоты. В сильно легированных материалах ширина запрещенной зоны немного меньше. Как показывают экспериментальные результаты, ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается с ростом температуры. Температурные зависимости для Ge, Si и GaAs приведены на Рис. 16.2. (рис.29).

При T=0⁰К в этих полупроводниках ширина запрещенной зоны равна соответственно 0.743 эВ (Ge); 1.17 эВ (Si) и 1.519 эВ (GaAs).

Числовые значения параметров Δ Э, a и b приведены на рис. 16.2 (рис.29). Отметим, что для этих полупроводниковых материалов температурный коэффициент d(DЭ)/dT отрицателен. В некоторых полупроводниках однако, производная d(DЭ)/dT положительна. Например в PbS (приложение Д) ширина запрещенной зоны увеличивается от 0.286 эВ при Т=0⁰К до 0.41 эВ, при Т=300⁰К.

Рис. 16.2.

При комнатной температуре ширина Δ Э увеличивается с ростом давления: в Ge d(Δ Э)/dP=5*10^-6 эВ/(кг/см²), а в GaAs d(Δ Э)/dP ~ 12.6*10^-6 эВ/(кг/см²).

В кремнии ширина Δ Э с ростом давления уменьшается (d( Э/dP=-2.4*10^-6 эВ/(кг/см²)).

Однако энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может дать не только тепловое движение, но и другие источники энергии: энергия света, поток заряженных частиц, энергия поля, механическая энергия и т.д.

Электрические свойства определяются условиями взаимодействия и расстояниями между атомами вещества и не являются непременной особенностью данного атома (углерод в виде алмаза - диэлектрик, в виде графита - проводник).

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒